J Plant Biotechnol (2023) 50:063-069
Published online April 28, 2023
https://doi.org/10.5010/JPB.2023.50.008.063
© The Korean Society of Plant Biotechnology
김종보
건국대학교 글로컬캠퍼스 의료생명대학 생명공학과
Correspondence to : e-mail: jbhee1011@kku.ac.kr
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
This study includes the transformation of genes such as ORE7, the increase of gene expression, and the use of the bar gene as a selectable marker that shows herbicide resistance with Agrobacterium tumefaciens using hypocotyls from the oilseed rape “Youngsan” cultivar. To establish an Agrobacterium transformation system for the production of oilseed rape with a high-yield trait, infection time and co-cultivation period with Agrobacterium were tested. Therefore, when hypocotyls from the oilseed rape “Youngsan” cultivar were infected with Agrobacterium for 20 min and co-cultivated for 3 days, approximately 32-36 putatively transformed hypocotyls with shoots including roots survived from 100 inoculated hypocotyls after 4 weeks of transformation on a selection medium containing 20 mg/L of phosphinothricin (PPT) as a selectable agent. Additionally, a PCR assay was performed to confirm the insertion of target genes and showed the presence of the ORE7 gene as a high-yielding trait and the bar gene as a selectable marker. Treatment with 0.5% (v/v) Basta solution as a selectable agent for 6 days with leaves from transformed oilseed rape expressed the bar gene. Therefore, this study can contribute to the development of special oilseed rapes containing agriculturally useful traits such as herbicide resistance, drought tolerance, high yielding traits, and high oleic acid content.
Keywords Agrobacterium, high-yield, Oilseed rape, Selection, Transformation
유채(
본 실험에서는 국립식량과학원(National Crop Science Institute) 산하 바이오에너지연구센터에서 분양 받은 영산품종의 성숙종자에 발아시킨 배축을 절편체로 사용하였다. 종자 소독은 먼저 70% EtOH에 2분간 침지 후 다시 tween-20 1~2방울을 첨가한 2% (v/v) sodium hypochlorite 용액에 20분간 교반 하여 표면을 살균하였다. 살균된 종자는 멸균수로 3회 세척 후 멸균된 filter paper에서 건조한 후 사용하였다. 배축 (hypocotyl)은 소독된 종자를 GEM배지에 치상하여 25 ± 1°C, 광 조건 16시간, 암 조건 8시간으로 배양하여 치상 후 7~10일된 소식물체의 자엽 밑과 뿌리 위를 약 1 cm씩 절단한 배축을 획득하였다. 모든 기내 배양은 25 ± 1°C, 16시간 광주기에 광도는 약 2,000 lux 조건 하에서 수행하였다. 본 실험에서 사용한 배지의 조성은 Table 1에 정리하였다.
Table 1 . Compositions of the media used in this study
Media | Components |
---|---|
GEM | MS (including MS vitamin; Murashige and Skoog, 1962), Sucrose 20 g/l , MES 500 mg/l |
WM | MS, Sucrose 30 g/l, MES 500 mg/l, BAP 0.5 mg/l |
SIM | MS, Sucrose 30 g/l, MES 500 mg/l, AgNO3 5 mg/l, Zeatin 0.5 mg/l 2,4-D 2 mg/l, BAP 2 mg/l, GA3 0.01 mg/l |
RM | 1/2MS, Sucrose 10 g/l, MES 500 mg/l,NAA 0.02 mg/l |
GEM: Germination medium, WM: Washing medium, SIM: Shoot induction medium, RM (Rooting medium)
형질전환 실험에서 효율적인 선발체계를 확립하기 위해 적정 선발농도 실험을 수행하였다. 본 실험에서 선발 약제로 사용한 PPT를 농도별(0, 5, 10, 20, 30 mg/l)로 각각 종자는 GEM배지 그리고 배축은 SIM배지에 첨가하여 배양 4주 후 생존율을 측정하였다. Basta의 경우 0, 0.01, 0.03, 0.05 및 0.1% 농도로 첨가하였다.
본 실험에서는 제노마인(Genomine inc.)에서 제공한 수량증대 유전자(ORE 7)를 포함하고 phosphinothricin (PPT)에 저항성을 나타내어 선발유전자로 사용되는 bar 유전자를 선발표지로 포함하는 pCAMBIA3301 vector (CSIRO, Canberra, Australia)에
영산 품종의 성숙종자로부터 유도된 배축에 아그로박테리움을 이용하여 형질전환 후 PPT 20 mg/l 가 첨가된 GEM 배지에서 4주간 선발을 실시하였다. 그 후 생존한 개체는 PPT 5 mg/l 가 첨가된 SEM배지에서 2차 선발을 4주동안 실시하였으며 최종 생존한 개체는 PPT가 첨가되지 않은 RM배지로 치상하였다. RM 배지로 옮겨 뿌리를 유도하였다. 모든 기내 선발과정은 25 ± 1°C, 16시간 광주기 조건하에서 수행하였다. 선발을 마친 개체들은 크기가 10~15 cm 정도 자라면 순화과정을 거쳐 기외 조건에 적응한 후 온실로 이식하였다.
PPT 저항성을 보이는 형질전환 추정 개체들의 외래 유전자 도입여부를 확인하기 위하여 PCR 분석을 실시하였다. PPT저항성을 가지는 신선한 식물체의 잎을 50 mg 절취하여 막자사발에 액체질소와 샘플을 함께 넣고 곱게 갈은 후 DNA extraction kit (Genomic DNA mini kit, Real Biotech corporation, Taiwan)를 이용하여 genomic DNA를 추출하였다. 본 실험에서는
형질전환 추정체의 잎을 지름 1 cm의 구형으로 채취하여 제초제 저항성을 확인하기 위하여 0.5 % Basta 용액(Bayer Crop Science, Korea)을 사용하였다. Basta 용액에 처리 후 6일간 잎의 변색 및 피해 정도를 관찰하였다.
모든 처리구는 각 100개 배축절편체를 사용하였으며, 아그로박테리움 조건실험은 4 반복 수행하였다. 모든 통계처리는 SPSS 23 (SPSS, Chicago, IL, USA)으로 ANOVA 검정 후, 던컨다중검정(DMRT)를 수행하였다.
유채 형질전환은 Redke 등(1988)에 의해 처음 보고된 이래로 유전자총 및 아그로박테리움을 주로 이용하여 수행되어져 왔다. 이러한 형질전환 기법이 유채 우수품종개량 프로그램에 적용되기 위해서는 효율적인 조직배양 체계가 확보되어야 한다(Lee et al. 2010). 조직배양에 있어서 재분화의 효율성은 품종, 배양 절편체, 식물생장조절제의 종류와 농도 그리고 배지 첨가물질에 따라 달라진다(Lee et al. 2010). 본 연구에서도 사용한 영산 품종은 올레인산도 65% 함유하고 있어 비교적 높은 품종이고(Lee et al. 2016), 본 연구팀의 선행연구를 통해 유채 여러 품종들 중 재분화 및 증식효율에서 가장 좋은 결과를 나타내었으며, 종자, 자엽 및 배축 중 어느 것이 조직배양 체계에 유리한 지 실험한 결과, 배축이 가장 우수한 것으로 나타나 배축을 절편체로 형질전환 실험을 수행하게 되었다(결과 미 제시). 자엽과 배축이 유채 형질전환 연구에 편리하게 사용되는 절편체인 것으로 보고된 바도 있다(De Block et al. 1989; Moloney et al. 1989; Zhang et al. 2006). 이외에도 배축의 전처리가 아그로박테리움과의 접종효율을 높여준다는 연구보고(Cardoza and Stewart 2003)가 있었지만 본 연구에서는 전처리 효과는 없는 것으로 관찰되었다(결과 미 제시).
본 연구에서 사용된 목적유전자인 생산성 증대 유전자 외에 선발유전자로서 PAT (Phosphinothricin-acetyl-transferase) 단백질을 암호화해서 PPT가 주성분인 Bialaphos나 Basta에 저항성을 갖게 되는
애기장대에서 잎의 노화를 지연시키는 것과 엽병을 약간 짧게 하고 잎의 모양을 둥글게 하고 약간 커지는 잎의 변형 외에도 이삭 수를 증가시켜 전반적인 biomass가 증대되는 형질이 발현된다고 보고된
Table 2 . Effect of infection time on the transformation efficiency of
Infection time (min) | *# of PPT resistant shoots with roots /100 inoculated hypocotyls* | % of putative transgenic plants with overgrowth** |
---|---|---|
5 | 6.5 ± 2.2**c | 1.5 |
10 | 9.5 ± 3.6c | 2.4 |
15 | 19.7 ± 4.3b | 3.3 |
20 | 36.1 ± 6.6a | 3.1 |
*Data were collected 4 weeks after transformation. \
**Values are means ± standard devleation (n = 5). Means followed by the same letters in each column are not significantly different (p < 0.05) using DMRT (Duncan’s Multi Range Test).
Table 3 . Effect of co-cultivation period on the transformation efficiency of
Co-cultivation period (days) | *# of PPT resistant shoots with roots /100 inoculated hypocotyls | % of putative transgenic plants with overgrowth by |
---|---|---|
1 | 12.1 ± 3.7**c | 2.4 |
3 | 38.8 ± 4.4a | 2.8 |
5 | 33.9 ± 8.4ab | 6.3 |
7 | 24.8 ± 6.4b | 12.8 |
*Data were collected 4 weeks after transformation.
**Values are means ± standard devleation (n = 5). Means followed by the same letters in each column are not significantly different (p < 0.05) using DMRT (Duncan’s Multi Range Test).
이러한 공동배양 기간의 차이는 품종, 아그로박테리움 균주의 감염능력 차이라고 판단된다. 공동배양 후 선발약제가 첨가된 배지에서 선발하는 과정을 연기하는 방식을 도입하는 것이 유용하다는 보고(Boszoradova et al. 2011)도 있었고, 전처리와 더불어 아그로박테리움과 공동배양 후 일정기간 휴식기를 가진 후 선발과정을 수행하는 것에 관한 연구보고도 있었다(Ovesna et al. 1993). 따라서 향후 공동배양 후 바로 선발배지로 이식하지 않고 일정기간 휴식기를 부여한 후 선발과정을 수행하여 형질전환 효율을 높이고 형질전환 개체의 생존율을 높이는 연구가 필요하다고 판단된다.
본 연구에 생산된 형질전환 유채 식물체는 초기 PPT 20 mg/l의 강한 선발압을 거쳐 약 4개월이 경과한 후, 18계통 174개체가 증식되었는데(Fig. 3), 이중 8개체를 임의로 선발하여
본 연구는 유채(
J Plant Biotechnol 2023; 50(1): 63-69
Published online April 28, 2023 https://doi.org/10.5010/JPB.2023.50.008.063
Copyright © The Korean Society of Plant Biotechnology.
김종보
건국대학교 글로컬캠퍼스 의료생명대학 생명공학과
Jong Bo Kim
(Department of Biotechnology, College of Biomedical & Health Sciences, Glocal Campus. Konkuk university, Choong-Ju, 27478, Korea)
Correspondence to:e-mail: jbhee1011@kku.ac.kr
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
This study includes the transformation of genes such as ORE7, the increase of gene expression, and the use of the bar gene as a selectable marker that shows herbicide resistance with Agrobacterium tumefaciens using hypocotyls from the oilseed rape “Youngsan” cultivar. To establish an Agrobacterium transformation system for the production of oilseed rape with a high-yield trait, infection time and co-cultivation period with Agrobacterium were tested. Therefore, when hypocotyls from the oilseed rape “Youngsan” cultivar were infected with Agrobacterium for 20 min and co-cultivated for 3 days, approximately 32-36 putatively transformed hypocotyls with shoots including roots survived from 100 inoculated hypocotyls after 4 weeks of transformation on a selection medium containing 20 mg/L of phosphinothricin (PPT) as a selectable agent. Additionally, a PCR assay was performed to confirm the insertion of target genes and showed the presence of the ORE7 gene as a high-yielding trait and the bar gene as a selectable marker. Treatment with 0.5% (v/v) Basta solution as a selectable agent for 6 days with leaves from transformed oilseed rape expressed the bar gene. Therefore, this study can contribute to the development of special oilseed rapes containing agriculturally useful traits such as herbicide resistance, drought tolerance, high yielding traits, and high oleic acid content.
Keywords: Agrobacterium, high-yield, Oilseed rape, Selection, Transformation
유채(
본 실험에서는 국립식량과학원(National Crop Science Institute) 산하 바이오에너지연구센터에서 분양 받은 영산품종의 성숙종자에 발아시킨 배축을 절편체로 사용하였다. 종자 소독은 먼저 70% EtOH에 2분간 침지 후 다시 tween-20 1~2방울을 첨가한 2% (v/v) sodium hypochlorite 용액에 20분간 교반 하여 표면을 살균하였다. 살균된 종자는 멸균수로 3회 세척 후 멸균된 filter paper에서 건조한 후 사용하였다. 배축 (hypocotyl)은 소독된 종자를 GEM배지에 치상하여 25 ± 1°C, 광 조건 16시간, 암 조건 8시간으로 배양하여 치상 후 7~10일된 소식물체의 자엽 밑과 뿌리 위를 약 1 cm씩 절단한 배축을 획득하였다. 모든 기내 배양은 25 ± 1°C, 16시간 광주기에 광도는 약 2,000 lux 조건 하에서 수행하였다. 본 실험에서 사용한 배지의 조성은 Table 1에 정리하였다.
Table 1 . Compositions of the media used in this study.
Media | Components |
---|---|
GEM | MS (including MS vitamin; Murashige and Skoog, 1962), Sucrose 20 g/l , MES 500 mg/l |
WM | MS, Sucrose 30 g/l, MES 500 mg/l, BAP 0.5 mg/l |
SIM | MS, Sucrose 30 g/l, MES 500 mg/l, AgNO3 5 mg/l, Zeatin 0.5 mg/l 2,4-D 2 mg/l, BAP 2 mg/l, GA3 0.01 mg/l |
RM | 1/2MS, Sucrose 10 g/l, MES 500 mg/l,NAA 0.02 mg/l |
GEM: Germination medium, WM: Washing medium, SIM: Shoot induction medium, RM (Rooting medium).
형질전환 실험에서 효율적인 선발체계를 확립하기 위해 적정 선발농도 실험을 수행하였다. 본 실험에서 선발 약제로 사용한 PPT를 농도별(0, 5, 10, 20, 30 mg/l)로 각각 종자는 GEM배지 그리고 배축은 SIM배지에 첨가하여 배양 4주 후 생존율을 측정하였다. Basta의 경우 0, 0.01, 0.03, 0.05 및 0.1% 농도로 첨가하였다.
본 실험에서는 제노마인(Genomine inc.)에서 제공한 수량증대 유전자(ORE 7)를 포함하고 phosphinothricin (PPT)에 저항성을 나타내어 선발유전자로 사용되는 bar 유전자를 선발표지로 포함하는 pCAMBIA3301 vector (CSIRO, Canberra, Australia)에
영산 품종의 성숙종자로부터 유도된 배축에 아그로박테리움을 이용하여 형질전환 후 PPT 20 mg/l 가 첨가된 GEM 배지에서 4주간 선발을 실시하였다. 그 후 생존한 개체는 PPT 5 mg/l 가 첨가된 SEM배지에서 2차 선발을 4주동안 실시하였으며 최종 생존한 개체는 PPT가 첨가되지 않은 RM배지로 치상하였다. RM 배지로 옮겨 뿌리를 유도하였다. 모든 기내 선발과정은 25 ± 1°C, 16시간 광주기 조건하에서 수행하였다. 선발을 마친 개체들은 크기가 10~15 cm 정도 자라면 순화과정을 거쳐 기외 조건에 적응한 후 온실로 이식하였다.
PPT 저항성을 보이는 형질전환 추정 개체들의 외래 유전자 도입여부를 확인하기 위하여 PCR 분석을 실시하였다. PPT저항성을 가지는 신선한 식물체의 잎을 50 mg 절취하여 막자사발에 액체질소와 샘플을 함께 넣고 곱게 갈은 후 DNA extraction kit (Genomic DNA mini kit, Real Biotech corporation, Taiwan)를 이용하여 genomic DNA를 추출하였다. 본 실험에서는
형질전환 추정체의 잎을 지름 1 cm의 구형으로 채취하여 제초제 저항성을 확인하기 위하여 0.5 % Basta 용액(Bayer Crop Science, Korea)을 사용하였다. Basta 용액에 처리 후 6일간 잎의 변색 및 피해 정도를 관찰하였다.
모든 처리구는 각 100개 배축절편체를 사용하였으며, 아그로박테리움 조건실험은 4 반복 수행하였다. 모든 통계처리는 SPSS 23 (SPSS, Chicago, IL, USA)으로 ANOVA 검정 후, 던컨다중검정(DMRT)를 수행하였다.
유채 형질전환은 Redke 등(1988)에 의해 처음 보고된 이래로 유전자총 및 아그로박테리움을 주로 이용하여 수행되어져 왔다. 이러한 형질전환 기법이 유채 우수품종개량 프로그램에 적용되기 위해서는 효율적인 조직배양 체계가 확보되어야 한다(Lee et al. 2010). 조직배양에 있어서 재분화의 효율성은 품종, 배양 절편체, 식물생장조절제의 종류와 농도 그리고 배지 첨가물질에 따라 달라진다(Lee et al. 2010). 본 연구에서도 사용한 영산 품종은 올레인산도 65% 함유하고 있어 비교적 높은 품종이고(Lee et al. 2016), 본 연구팀의 선행연구를 통해 유채 여러 품종들 중 재분화 및 증식효율에서 가장 좋은 결과를 나타내었으며, 종자, 자엽 및 배축 중 어느 것이 조직배양 체계에 유리한 지 실험한 결과, 배축이 가장 우수한 것으로 나타나 배축을 절편체로 형질전환 실험을 수행하게 되었다(결과 미 제시). 자엽과 배축이 유채 형질전환 연구에 편리하게 사용되는 절편체인 것으로 보고된 바도 있다(De Block et al. 1989; Moloney et al. 1989; Zhang et al. 2006). 이외에도 배축의 전처리가 아그로박테리움과의 접종효율을 높여준다는 연구보고(Cardoza and Stewart 2003)가 있었지만 본 연구에서는 전처리 효과는 없는 것으로 관찰되었다(결과 미 제시).
본 연구에서 사용된 목적유전자인 생산성 증대 유전자 외에 선발유전자로서 PAT (Phosphinothricin-acetyl-transferase) 단백질을 암호화해서 PPT가 주성분인 Bialaphos나 Basta에 저항성을 갖게 되는
애기장대에서 잎의 노화를 지연시키는 것과 엽병을 약간 짧게 하고 잎의 모양을 둥글게 하고 약간 커지는 잎의 변형 외에도 이삭 수를 증가시켜 전반적인 biomass가 증대되는 형질이 발현된다고 보고된
Table 2 . Effect of infection time on the transformation efficiency of
Infection time (min) | *# of PPT resistant shoots with roots /100 inoculated hypocotyls* | % of putative transgenic plants with overgrowth** |
---|---|---|
5 | 6.5 ± 2.2**c | 1.5 |
10 | 9.5 ± 3.6c | 2.4 |
15 | 19.7 ± 4.3b | 3.3 |
20 | 36.1 ± 6.6a | 3.1 |
*Data were collected 4 weeks after transformation. \.
**Values are means ± standard devleation (n = 5). Means followed by the same letters in each column are not significantly different (p < 0.05) using DMRT (Duncan’s Multi Range Test)..
Table 3 . Effect of co-cultivation period on the transformation efficiency of
Co-cultivation period (days) | *# of PPT resistant shoots with roots /100 inoculated hypocotyls | % of putative transgenic plants with overgrowth by |
---|---|---|
1 | 12.1 ± 3.7**c | 2.4 |
3 | 38.8 ± 4.4a | 2.8 |
5 | 33.9 ± 8.4ab | 6.3 |
7 | 24.8 ± 6.4b | 12.8 |
*Data were collected 4 weeks after transformation..
**Values are means ± standard devleation (n = 5). Means followed by the same letters in each column are not significantly different (p < 0.05) using DMRT (Duncan’s Multi Range Test)..
이러한 공동배양 기간의 차이는 품종, 아그로박테리움 균주의 감염능력 차이라고 판단된다. 공동배양 후 선발약제가 첨가된 배지에서 선발하는 과정을 연기하는 방식을 도입하는 것이 유용하다는 보고(Boszoradova et al. 2011)도 있었고, 전처리와 더불어 아그로박테리움과 공동배양 후 일정기간 휴식기를 가진 후 선발과정을 수행하는 것에 관한 연구보고도 있었다(Ovesna et al. 1993). 따라서 향후 공동배양 후 바로 선발배지로 이식하지 않고 일정기간 휴식기를 부여한 후 선발과정을 수행하여 형질전환 효율을 높이고 형질전환 개체의 생존율을 높이는 연구가 필요하다고 판단된다.
본 연구에 생산된 형질전환 유채 식물체는 초기 PPT 20 mg/l의 강한 선발압을 거쳐 약 4개월이 경과한 후, 18계통 174개체가 증식되었는데(Fig. 3), 이중 8개체를 임의로 선발하여
본 연구는 유채(
이 논문은 건국대학교 2021년 KU 학술연구비 지원에 의한 논문임.
Table 1 . Compositions of the media used in this study.
Media | Components |
---|---|
GEM | MS (including MS vitamin; Murashige and Skoog, 1962), Sucrose 20 g/l , MES 500 mg/l |
WM | MS, Sucrose 30 g/l, MES 500 mg/l, BAP 0.5 mg/l |
SIM | MS, Sucrose 30 g/l, MES 500 mg/l, AgNO3 5 mg/l, Zeatin 0.5 mg/l 2,4-D 2 mg/l, BAP 2 mg/l, GA3 0.01 mg/l |
RM | 1/2MS, Sucrose 10 g/l, MES 500 mg/l,NAA 0.02 mg/l |
GEM: Germination medium, WM: Washing medium, SIM: Shoot induction medium, RM (Rooting medium).
Table 2 . Effect of infection time on the transformation efficiency of
Infection time (min) | *# of PPT resistant shoots with roots /100 inoculated hypocotyls* | % of putative transgenic plants with overgrowth** |
---|---|---|
5 | 6.5 ± 2.2**c | 1.5 |
10 | 9.5 ± 3.6c | 2.4 |
15 | 19.7 ± 4.3b | 3.3 |
20 | 36.1 ± 6.6a | 3.1 |
*Data were collected 4 weeks after transformation. \.
**Values are means ± standard devleation (n = 5). Means followed by the same letters in each column are not significantly different (p < 0.05) using DMRT (Duncan’s Multi Range Test)..
Table 3 . Effect of co-cultivation period on the transformation efficiency of
Co-cultivation period (days) | *# of PPT resistant shoots with roots /100 inoculated hypocotyls | % of putative transgenic plants with overgrowth by |
---|---|---|
1 | 12.1 ± 3.7**c | 2.4 |
3 | 38.8 ± 4.4a | 2.8 |
5 | 33.9 ± 8.4ab | 6.3 |
7 | 24.8 ± 6.4b | 12.8 |
*Data were collected 4 weeks after transformation..
**Values are means ± standard devleation (n = 5). Means followed by the same letters in each column are not significantly different (p < 0.05) using DMRT (Duncan’s Multi Range Test)..
Jong Bo Kim
J Plant Biotechnol 2023; 50(1): 56-62Jong Bo Kim
J Plant Biotechnol 2017; 44(1): 82-88Suman Kalyan Sadhu ・Phanikanth Jogam ・Kranthikumar Gande ・Raghu Banoth ・Suprasanna Penna ・ Venkataiah Peddaboina
J Plant Biotechnol 2022; 49(1): 61-73
Journal of
Plant Biotechnology